Тепло и тепловые насосы: отопление дома

Прометей дал человеку огонь, лорд Кельвин в 1852 году - тепловой насос, этот удивительный инструмент для производства тепла из ниоткуда.

• Перспективы

В мире сейчас широко уже используется отопление на базе теплового насоса. Это установки, аккумулирующие низкотемпературное тепло и доставляющие его от источника с относительно низкой температурой к объекту с более высокой, так, отобрав тепло от прохладного воздуха (+5°С), получаем горячую воду в системе отопления.

Уют, тепло и комфорт в доме получаем буквально из воздуха. Источником энергии для теплового насоса могут быть также тепло почвы, воды в скважине или водоеме, а также геотермальные воды.

Однако исследования, проведенные нами, показали, что все сказанное выше относится только к условиям мягкого климата и в нашей суровой стране тепловой насос является неэффективным (возможно, пока еще) для отопления коттеджа. В то же время, материал по тепловым насосам, собранный из различных зарубежных источников, может быть полезным для изучения тенденций в развитии автономных систем отопления.

Тепловой насос позволяет устроить все отопление дома из окружающей среды. Это настоящее чудо. Или фокус...

• Что такое тепловой насос?

Тепловые насосы - это компактные экономичные и экологически чистые системы отопления, позволяющие получать тепло для горячего водоснабжения и отопления коттеджей за счет аккумулирования тепла от низкопотенциальных источников.

Тепловые насосы - это компактные экономичные и экологически чистые системы отопления, позволяющие получать тепло для горячего водоснабжения и отопления коттеджей за счет аккумулирования тепла от низкопотенциальных источников (это грунтовые и артезианские воды, озера, моря, грунтовое тепло, тепло земных недр) и переноса его к теплоносителю с более высокой температурой. По сути тепловой насос - это холодильник наоборот, подобно тому, как электродвигатель потребляет ток, а генератор (его антипод) вырабатывает.

Используя тепло, рассеянное в окружающей среде (в земле, воде, воздухе), тепловой насос обладает поразительной эффективностью: затратив 1 кВт электроэнергии в приводе насоса, можно получить 3-4, а часто и до 5-6 кВт тепловой энергии, срок службы до капремонта - 15-20 лет. С ростом цен на энергию и большими требованиями к окружающей среде увеличилось использование тепловых насосов в качестве отопительных систем в домах: до 60% отопительной энергии можно получить бесплатно из природы.

Применение тепловых насосов является принципиально новым подходом к отоплению загородного дома. Они работают полностью в автоматическом режиме, обслуживание заключается в сезонном техническом осмотре и периодическом контроле режима работы. Они взрыво- и пожаробезопасны: нет ни топлива, ни открытого огня, ни горючих газов. Ни одна деталь не нагревается до температур, приводящих к возгоранию. Срок окупаемости теплового насоса в мягком климате 3-5 отопительных сезонов.

• Принцип действия теплового насоса

В принципе низкопотенциальным источником тепла (НИТ) для теплового насоса может быть скалистая порода, земля, вода в водоеме или скважине, воздух. Охлажденный теплоноситель, проходя по трубопроводу в земле или воде, нагревается на несколько градусов. Теплоноситель, проходя через теплообменник, отдает аккумулированное тепло во внутренний контур теплового насоса, заполненый хладоагентом. Хладоагент (с низкой температурой кипения) в расширителе при низком давлении и температуре -5°С переходит из жидкого состояния в газообразное.

Компрессор сжимает хладоагент до высокой температуры, уже горячий газ поступает во второй теплообменник, где происходит передача тепла в систему отопления. Охладившись при этом, хладоагент становится вновь жидкостью, а нагретый теплоноситель внутреннего контура подает тепло потребителю. Так в тепловом насосе происходит отбор тепла от низкопотенциального источника и его утилизация.

• “Умножитель тепла”

Принципы действия такого термодинамического цикла представлены в работах Карно (т.н. "цикл Карно", хорошо известный из школьного курса физики) в начале позапрошлого века, в 1852 г. лорд Кельвин (Уильям Томсон) предложил практическое применение этого феномена, назвав его “умножителем тепла”. Тогда еще Кельвин считал, что в силу ограниченности невосстанавливаемых ресурсов у его изобретения большое будущее, а затраты на отопление должны составлять всего 3% от существующих. В его "умножителе тепла", или как сейчас называют, тепловом насосе (Heat Pump), в качестве теплоносителя использовался воздух: он расширялся (охлаждаясь при этом) в специальной емкости, затем подавался в теплообменник, где нагревался наружным воздухом. При последующем сжатии до атмосферного давления воздух нагревался до температуры выше окружающей и после этого подавался в обогреваемое помещение, вызывая немалое удивление окружающих.

• Оптимизация затрат на отопление

В современных отопительных системах для оптимизации затрат на отопление (т.е. для снижения номинальной мощности теплового насоса, которая не будет использоваться полностью практически в течение всего года) параллельно с тепловым насосом (бивалентный режим) устанавливается дополнительно электрообогрев, который включается только при пиковой тепловой нагрузке - при резком понижении температуры зимой.

Необходимо отметить, что тепловые насосы оправдывают себя только в зданиях с теплопотерями не более 60 Вт/м². И вообще, прежде, чем заниматься отоплением, надо хорошо проработать утепление.

• Экономичность тепловых насосов

Первоначальные затраты на тепловой насос и монтаж системы составляют от 200$ до 600$ на 1 кВт мощности отопления, при этом срок окупаемости капиталовложений 5–9 лет. По экономичности тепловые насосы уступают только газовым котлам, но заметно выигрывают у жидкотопливных и электрических - применение их вместо электроотопления дает четырехкратную экономию затрат. По экологической чистоте тепловым насосам нет равных среди отопительных систем.

Для расчета тепловой потребности для отопления коттеджа (загородного дома) следует исходить из того, как утеплен дом. В среднем потребность в отопительной мощности составляет:
    - хорошо утепленное здание 50 Вт/м²
    - плохо утепленное здание 80-100 Вт/м²

• Тепловой насос на примере

Ниже приведен пример использования теплового насоса из зарубежной практики.

Проект предусматривал полное отопление центрального здания виллы Ольмо (Комо, Италия): отопление с помощью теплового насоса в течение зимы и кондиционирование 1-го и 2-го этажей в летние месяцы.

Три существующие бойлера, работающие на органическом сырье (два - на газойле и один газовый) были заменены на реверсивные электрические тепловые насосы. Забор воды из близлежащего озера.Потребляемая мощность в отопительный период составила 140 кВт.

Вода из озера ипользуется в качестве источника тепла с помощью тепловых насосов и заборно-сбрасывающей трубопроводной системой. Эта система вкопана в землю, чтобы не нарушать красоты сада, окружающего здание.

Были пременены новые вентиляторы-конвекторы, способные функционировать на низкотемпературных режимах с учетом архитектурных особенностей здания.

Каждый киловатт-час электричества для летнего кондиционирования устранял 5 киловатт-часов тепла из помещения, предназначенного для кондиционирования (примерно вдвое эффективнее обычной воздушно-охлаждающей системы), поскольку температура воды в озере на глубине не превышает 21°C даже в самые жаркие дни.

Достигнутые результаты:

• Снижение затрат энергии на 50%
• Снижение выброса двуокиси углерода на 50-60%
• Полное устранение окиси азота и других вредных веществ - продуктов сгорания
• Повышение безопасности для персонала

Экономические преимущества: тепловой насос позволил сэкономить 35% по сравнению с традиционной отопительной системой с периодом окупаемости 5 лет.

Пример взят из материалов Федерации Европейской Ассоциации Отопления и Кондиционирования REHVA

• Применение теплового насоса при низких температурах

Такой проект может быть осуществлен везде, где рядом есть вода (подпочвенные воды, река, море, дренажная вода).

Преимущество воды перед воздухом в качестве источника тепла для теплового насоса в постоянстве высокой температуры - она всегда на несколько градусов выше нуля независимо от температуры окружающего воздуха, что позволяет применять этот способ не только в Италии, но и в наших суровых условиях, для повышения эффективности теплового насоса его следует использовать в т.н. бивалентном режиме, т.е. в паре с дополнительным отопительным источником (электрокотел, котел на жидком или твердом топливе), который будет включаться при пиковых нагрузках при особо низких температурах окружающего воздуха.

• Тепловые насосы: тепло из воздуха

Источником низкопотенциального тепла может быть атмосферный воздух, как в опытах Кельвина, однако в наших природно-климатических условиях в зимнее время его температура становится слишком низкой, чтобы обеспечить эффективную работу теплового насоса.

Однако наличие вблизи от потребителя источника выхода тепла от коммунального хозяйства или промышленного предприятия делает этот вариант утилизации тепловых выбросов идеальным для применения теплового насоса как для отопления дома, так и горячего водоснабжения.

Тепловые насосы воздух-вода могут работать при температуре окружающей среды от -20°С до +30°С. Сам тепловой насос можно размещать вне или внутри зданий, например, в подвальных помещениях. Воздух подается встроенным вентилятором на испаритель через воздушные каналы, при этом происходит охлаждение воздуха и отбор тепла.

Применяются для теплоснабжения зданий площадью до 270 кв. м. Отличаются простотой монтажа и, несмотря на свою высокую мощность, требуют мало места для установки. Впрочем, следует отметить, что тепловые насосы оправдывают себя только в зданиях с теплопотерями не более 60 Вт/м2.

• Тепловые насосы: тепло из земли

Грунт имеет свойство сохранять солнечное тепло в течение длительного времени, что ведет к относительно равномерному уровню температуры источника тепла на протяжении всего года, это обеспечивает эксплуатацию теплового насоса с высоким коэффициентом мощности. Отбор тепла происходит теплоносителем (30% р-р этилового спирта или этиленгликоля) через уложенный в земле на глубине 1-1,5 м коллектор, состоящий из системы полиэтиленовых труб на расстоянии 1 м друг от друга.

Наилучшим условием для работы такой системы являются высокий уровень грунтовых вод на участке (1 метр трубопровода дает 30 Вт тепловой энергии).

Теплоноситель из коллектора подается в тепловой насос, где низкопотенциальное тепло грунта отбирается и в обогреваемое помещение. В замкнутом цикле участвует электродвигатель, который приводит в действие компрессор; тепло, накопленное землей в результате солнечной радиации, отбирается теплооб- менниками теплового насоса.

Электроэнергия, участвующая в этом термодинамическом цикле, затрачивается только на перекачивание жидкости. Высокий КПД (до 700%) объясняется тем, что основная тепловая энергия, получаемая тепловым насосом в этом процессе, является на самом деле солнечной энергией, аккумулируемой Землей.

• Тепловые насосы: тепло из водоема или скважины

В качестве низкопотенциального источника тепла (НИТ) может быть использована вода близлежащего водоема - тепловой насос с открытым циклом, когда теплоноситель подается из водоема и, охлажденный после прохождения цикла, возвращается обратно, или же закрытым, когда теплоноситель циркулирует по замкнутому контуру.

НИТ также может быть доставлен из пробуренной на участке скважины (открытый цикл): отдав свою энергию в теплообменнике, охлажденная вода сбрасывается в другую скважину, расположенную на расстоянии не менее 30 метров от первой.

При этом вода из скважины может использоваться для бытовых нужд и водоснабжения.

Принято считать, что 1 м скважины достаточно для получения на выходе из теплового насоса 50 Вт тепловой энергии, т.е. 100-метровая скважина в Московской области не только обеспечит потребителя водой в достатке, но и сможет заменить отопительную систему в 50 кВт - вполне достаточную для отопления коттеджа. Для снижения затрат на тепловой насос устанавливают дополнительно электрообогрев, который включается при пиковой тепловой нагрузке в самый холодный зимний день.